Loading article…
材料科学において、破壊靭性とは、鋭い亀裂の伝播が突然急速かつ無制限になる臨界応力拡大係数のことです。これは、加えられた応力下での亀裂の伝播と破壊に対する抵抗力を定量化する材料特性です。部品の厚さは、亀裂先端の拘束条件に影響を与えます。薄い部品は平面応力状態となり延性挙動を示し、厚い部品は平面ひずみ状態となり拘束が増加するため脆性破壊につながります。平面ひずみ状態は、材料特性である破壊靭性値が最も低くなります。平面ひずみ状態で測定されたモード I荷重における応力拡大係数の臨界値は、平面ひずみ破壊靭性として知られています。[ 1 ]試験が平面ひずみ条件を確保するために定められた厚さやその他の試験要件を満たさない場合、生成された破壊靭性値には、。
応力腐食割れとして知られる、ゆっくりとした自己持続的な亀裂伝播は、閾値を超える腐食環境で発生する可能性がある。（応力腐食割れしきい値応力拡大係数）以下疲労亀裂の成長過程では、亀裂の進展がわずかに増加することもあり、繰り返し荷重サイクルを経ると、亀裂が徐々に成長し、最終的に破壊靭性を超えて破壊に至る可能性がある。
破壊靭性は材料によって約4桁も異なります。金属は破壊靭性が最も高く、セラミックスは最も低い値を示します。強靭な材料では亀裂が容易に伝播しないため、金属は応力下での亀裂に対して非常に高い耐性を持ち、応力-ひずみ曲線には大きな塑性流動領域が存在します。セラミックスは破壊靭性は低いものの、金属に比べて1.5桁も強度が高いため、応力破壊において非常に優れた性能を発揮します。エンジニアリングセラミックスとエンジニアリングポリマーを組み合わせた複合材料の破壊靭性は、構成材料それぞれの破壊靭性を大きく上回ります。
固有の強化機構とは、亀裂先端の前方で作用して材料の靭性を高めるプロセスです。これらの機構は原子レベルまたは微視的なレベルで作用し、外部要因の影響を受けるのではなく、材料自体に固有のものです。これらは、基材の構造と結合、および微細構造の特徴や添加物に関連している傾向があります。機構の例としては、以下のようなものがあります。
基材の延性を高めるような改変は、本質的な強化とみなすこともできる。[ 7 ]
材料中の結晶粒の存在は、亀裂の伝播の仕方に影響を与えることで、材料の靭性にも影響を及ぼす。亀裂の前方には、材料が降伏する塑性域が存在する。その領域を超えると、材料は弾性状態を保つ。破壊条件は、この塑性域と弾性域の境界で最も有利となるため、亀裂はしばしばその位置での結晶粒の劈開によって発生する。
低温では、体心立方格子（BCC）金属のように材料が完全に脆くなる場合、塑性領域が収縮し、弾性領域のみが存在する。この状態では、亀裂は結晶粒の連続的な劈開によって伝播する。このような低温では、降伏強度は高いが、破壊ひずみと亀裂先端の曲率半径は小さく、靭性が低くなる。[ 8 ]
さらに、低温での塑性変形の欠如は、破壊前のエネルギー吸収量の最小化につながり、材料が突然かつ壊滅的な破壊を起こしやすくなります。この脆性挙動は、衝撃荷重や応力集中によって急速に破壊が発生する構造用途において特に重要です。延性-脆性遷移温度（DBTT）は、材料がこの脆性を示す温度を定義するものであり、BCC金属では、不純物含有量、結晶粒径、合金元素などの要因によって変化します。DBTTを下げ、低温靭性を向上させるために、結晶粒微細化や制御された熱処理などの工学的解決策がよく用いられます。さらに、ひずみ速度や三軸応力状態などの外部要因は脆性を悪化させる可能性があるため、低温環境で使用される用途では、材料の慎重な選択が不可欠です。
高温では降伏強度が低下し、塑性域が形成されます。弾塑性域の境界で劈開が起こり、その後主亀裂先端に連結します。これは通常、結晶粒の劈開と繊維状連結と呼ばれる結晶粒の延性破壊の混合物です。繊維状連結の割合は温度の上昇とともに増加し、連結が完全に繊維状連結になるまで続きます。この状態では、降伏強度は低いものの、延性破壊の存在と亀裂先端の曲率半径が大きいため、靭性は高くなります。[ 8 ]
さらに、高温での塑性の増加は、亀裂伝播時のエネルギー散逸を促進し、材料の靭性をさらに向上させる。脆性破壊から延性破壊への移行は、ひずみ速度や、結晶粒径や相組成などの微細構造因子にも影響される。結晶粒が細かい材料は、粒界相互作用が増加するため、亀裂発生に対する抵抗力が高くなる傾向がある。さらに、高温での酸化効果は、材料や環境条件に応じて靭性を高めたり低下させたりすることで、亀裂挙動を変化させる役割を果たす可能性がある。
第二相粒子などの材料中の介在物は、脆性粒子と同様に、亀裂の伝播に影響を与える可能性があります。介在物での破壊または分離は、外部応力または介在物が周囲の材料と接続を維持しようとする際に形成される転位によって発生する可能性があります。粒子と同様に、破壊は塑性弾性領域の境界で発生する可能性が最も高くなります。その後、亀裂は主亀裂に連結することができます。塑性領域が小さい場合、または介在物の密度が低い場合、破壊は主亀裂の先端に直接連結する可能性が高くなります。塑性領域が大きい場合、または介在物の密度が高い場合、塑性領域内で追加の介在物破壊が発生する可能性があり、連結は亀裂から領域内の最も近い破壊介在物へと進行することによって発生します。[ 8 ]
相変態強化とは、材料が1つ以上のマルテンサイト（変位型、拡散なし）相変態を起こし、その結果、材料の体積がほぼ瞬時に変化する現象である。この相変態は、引張応力の増加など、材料の応力状態の変化によって引き起こされ、加えられた応力に反対する方向に作用する。したがって、例えば成長中の亀裂の先端など、材料が局所的に引張応力を受けると、相変態を起こして体積が増加し、局所的な引張応力が低下して、材料中の亀裂の進行が阻害される。このメカニズムは、セラミック材料の靭性を向上させるために利用されており、特にイットリア安定化ジルコニアでは、セラミックナイフやジェットエンジンのタービンブレードの熱遮断コーティングなどの用途に利用されている。[ 9 ]
体積変化を伴わないものの、同様の強化プロセスは、外部荷重によって結晶単位セルの向きが変化する材料でも発生する可能性がある。この場合、亀裂先端応力場によって単位セルが引張応力方向に再配列され、引張応力が減少する。このプロセスには結晶相転移が含まれないため、単位セルの体積は一定のままである。このような挙動の良い例は、軟質チタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックスに見られる 。従来の相転移とは異なり、このプロセスは一般的に可逆的である。また、単位セルの元の向きが重要であり、単位セルがすでに引張応力方向に整列している場合は強化効果は発生しない。[ 10 ]
外因性強化機構とは、亀裂先端の背後で作用し、亀裂のさらなる開口を阻害するプロセスである。例としては、
破壊靭性試験は、材料の亀裂による破壊に対する抵抗を定量化するために行われます。このような試験の結果、破壊靭性の単一値または抵抗曲線が得られます。抵抗曲線は、破壊靭性パラメータ（K、Jなど）を亀裂の伝播を特徴付けるパラメータに対してプロットしたグラフです。抵抗曲線または単一値の破壊靭性は、破壊のメカニズムと安定性に基づいて得られます。破壊靭性は、工学用途において重要な機械的特性です。材料の破壊靭性を測定するために使用される試験にはいくつかの種類があり、一般的に、さまざまな構成のいずれかのノッチ付き試験片が使用されます。広く使用されている標準化された試験方法はシャルピー衝撃試験であり、VノッチまたはUノッチのあるサンプルにノッチの後ろから衝撃を与えます。また、荷重をかける前に試験片に薄い亀裂をあらかじめ設定した3点曲げ試験などの亀裂変位試験も広く使用されています。
破壊靭性測定のためのASTM規格E1820 [ 12 ]では、破壊靭性試験用に、片側曲げ試験片[SE(B)]、コンパクト引張試験片[C(T)]、円盤状コンパクト引張試験片[DC(T)]の3種類の試験片を推奨しています。各試験片の形状は、亀裂長さ(a)、厚さ(B)、幅(W)の3つの寸法で特徴付けられます。これらの寸法の値は、試験片に対して実施される特定の試験の要求によって決定されます。試験の大部分は、コンパクトまたは3点曲げ試験構成で実施されます。同じ特性寸法の場合、コンパクト構成は3点曲げ試験に比べて使用する材料が少なくて済みます。
ほとんどの工学材料は本質的に非等方性であるため、破壊の方向は重要です。このため、材料内に弱面が存在する可能性があり、この面に沿った亀裂の成長は他の方向と比較して容易になる可能性があります。この重要性から、ASTM は鍛造軸に対する亀裂の方向を報告する標準化された方法を考案しました。[ 13 ]文字 L、T、S は、長手方向、横方向、短横方向を表すために使用され、長手方向は鍛造軸と一致します。方向は 2 つの文字で定義され、最初の文字は主引張応力の方向、2 番目の文字は亀裂の伝播方向です。一般的に、材料の靭性の下限は、亀裂が鍛造軸の方向に成長する方向で得られます。
正確な結果を得るためには、試験前に鋭利な亀裂が必要です。機械加工されたノッチやスロットはこの条件を満たしません。十分に鋭利な亀裂を導入する最も効果的な方法は、スロットから疲労亀裂を成長させるために繰り返し荷重をかけることです。疲労亀裂はスロットの先端で発生し、亀裂の長さが所望の値に達するまで進展させます。
繰り返し荷重は、ひずみ硬化によって材料の靭性に影響を与えないように慎重に制御されます。これは、主破壊の塑性域に比べてはるかに小さい塑性域を生成する繰り返し荷重を選択することによって行われます。例えば、ASTM E399によれば、最大応力拡大係数Kmaxは0.6以下でなければなりません。初期段階では0.8未満亀裂が最終的な大きさに近づくとき。[ 14 ]
場合によっては、亀裂進展の意図された経路に沿って試験片の厚さが元の厚さの最低 80% まで減少するように、破壊靭性試験片の側面に溝が加工されます。[ 15 ]これは、R カーブ試験中に直線状の亀裂先端を維持するためです。
以下に、4つの主要な標準化テストについて説明します。K IcおよびK Rテストは線形弾性破壊力学（LEFM）に有効であり、JおよびJ Rテストは弾塑性破壊力学（EPFM）に有効です。
破壊靭性試験を実施する場合、最も一般的な試験片の形状は、シングルエッジノッチ曲げ（SENBまたは3点曲げ）とコンパクト引張（CT）試験片です。試験により、平面ひずみ条件が一般的に次の場合に支配的であることが示されています。[ 14 ]
どこは、必要最小限の厚さです。材料の破壊靭性とは材料の降伏強度です。
この試験は、K I が0.55 から 2.75 (MPa) まで増加するような一定の速度で荷重をかけることによって実施されます。)/s。試験中、荷重と亀裂開口変位（CMOD）が記録され、最大荷重に達するまで試験が継続されます。臨界荷重P Qは、荷重対CMODプロットから計算されます。暫定的な靭性K Qは次のように与えられます。
。
幾何学的要因は a/W の無次元関数であり、E 399 規格では多項式形式で与えられます。コンパクト試験形状の幾何学的係数は、こちらで確認できます。[ 16 ]この暫定的な靭性値は、以下の要件が満たされている場合に有効と認められます。
そして
破壊靭性が不明な材料を試験する場合、材料の全厚さの試験片を試験するか、破壊靭性の予測に基づいて試験片のサイズを決定します。試験結果から得られた破壊靭性値が上記の式の要件を満たさない場合は、より厚い試験片を使用して試験を繰り返す必要があります。この厚さの計算に加えて、試験仕様には、試験結果が K IC値であるとみなされる前に満たさなければならない他のいくつかの要件（せん断リップのサイズなど）があります。
試験が厚さやその他の平面ひずみ条件を満たさない場合、得られた破壊靭性値は K cと表記されます。厚さの要件を満たす試験片を作成できない場合もあります。例えば、靭性の高い比較的薄い板を試験する場合、亀裂先端で平面ひずみ条件を満たす厚い試験片を作成できない可能性があります。
安定した亀裂成長を示す試験片は、亀裂長さが増加するにつれて破壊靭性が増加する傾向を示します（延性亀裂進展）。この破壊靭性と亀裂長さの関係を示すグラフは、抵抗（R）曲線と呼ばれます。ASTM E561 は、材料の靭性と亀裂成長の関係を示す曲線を決定する手順を概説しています。[ 17 ]この規格は材料の最小厚さに制限を設けていないため、薄いシートにも使用できますが、試験が有効であるためには LEFM の要件を満たす必要があります。LEFM の基準は基本的に、平面寸法が塑性域に比べて大きくなければならないことを示しています。厚さが R 曲線の形状に与える影響について誤解があります。同じ材料の場合、厚い部分は平面ひずみ破壊で破壊し、単一の破壊靭性値を示し、薄い部分は平面応力破壊で破壊し、上昇する R 曲線を示すと示唆されています。しかし、R 曲線の傾きを制御する主な要因は、厚さではなく破壊形態です。材料によっては、断面の厚さによって破壊形態が延性破壊から劈開へと変化し、薄い断面から厚い断面へと変化するため、厚さだけでR曲線の傾きが決まる場合がある。また、微小空隙の合体によって破壊モードが上昇し、平面ひずみ破壊が生じる場合もある。
KR曲線を評価する最も正確な方法は、塑性域の相対的な大きさに応じて塑性の存在を考慮することです。塑性が無視できる場合、荷重対変位曲線は試験から得られ、各点でコンプライアンスが求められます。コンプライアンスは、試験片をある時点で除荷した場合に従う曲線の傾きの逆数であり、LEFMの場合は変位と荷重の比として表すことができます。コンプライアンスは、ASTM規格に示されている関係式を用いて、瞬間的な亀裂長さを決定するために使用されます。
応力拡大係数は、有効亀裂長さを計算することによって補正する必要があります。ASTM規格では、2つの代替アプローチが提案されています。1つ目の方法は、アーウィンの塑性域補正と呼ばれています。アーウィンのアプローチでは、有効亀裂長さが説明されています。[ 18 ]
アーウィンの手法では、K自体が亀裂の長さの関数であるため、反復解法が導かれる。
もう1つの方法、すなわち割線法では、ASTM規格で規定されているコンプライアンス-亀裂長さの式を用いて、有効コンプライアンスから有効亀裂長さを計算します。荷重-変位曲線上の任意の点におけるコンプライアンスは、基本的に、その点で試験片の荷重を取り除いた場合に得られる曲線の傾きの逆数です。線形弾性材料の場合、荷重除去曲線は原点に戻りますが、永久変形が生じるため、弾塑性材料の場合は戻りません。弾塑性の場合の有効コンプライアンスは、その点と原点を結ぶ直線の傾き（つまり、材料が弾性体であった場合のコンプライアンス）として求められます。この有効コンプライアンスを用いて有効亀裂成長を求め、残りの計算は次の式に従います。
塑性補正の選択は、塑性域の大きさに左右されます。ASTM規格では、抵抗曲線について、塑性域が小さい場合はアーウィン法が許容範囲であり、亀裂先端の塑性がより顕著な場合はセカント法の使用が推奨されています。また、ASTM E 561規格には試験片のサイズや最大許容亀裂進展に関する要件が含まれていないため、抵抗曲線のサイズ非依存性は保証されません。いくつかの研究では、セカント法の実験データではサイズ依存性があまり検出されないことが示されています。
単位破壊表面積あたりのひずみエネルギー解放率は、J 積分法によって計算されます。これは、経路がどちらかの亀裂面で始まり、どちらかの亀裂面で終わる、亀裂先端の周りの経路積分です。J靭性値は、亀裂が成長するために必要な応力エネルギーの量に関して、材料の抵抗を示します。J IC靭性値は、弾塑性材料に対して測定されます。ここで、単一値のJ ICは、延性亀裂進展の開始付近の靭性として決定されます (ひずみ硬化の影響は重要ではありません)。この試験は、複数の試験片を使用して実行され、各試験片にさまざまなレベルの荷重をかけ、除荷します。これにより、亀裂口の開口コンプライアンスが得られ、J積分試験 をカバーする ASTM 規格 E 1820に示されている関係を使用して亀裂長さを取得するために使用されます。 [ 19 ]亀裂成長を測定するもう 1 つの方法は、熱着色または疲労亀裂で試験片にマークを付けること
このように実施された試験により、荷重と亀裂開口変位（CMOD）の関係を示す複数の曲線が得られ、これらを用いてJを以下のように計算する。
線形弾性Jは以下を用いて計算される。Kは以下から決定される。どこは側面溝付き試験片の正味厚さであり、側面溝なし試験片の場合はBに等しい。
弾性塑性Jは以下を用いて計算される。
どこ
暫定的なデータを取得するために、特殊なデータ削減技術が使用されます。以下の条件を満たせば、その値は受け入れられます。
破壊仕事とは、試料を完全に引き裂くのに必要なエネルギー量を断面積で割った概念的な用語です。これはJICと関連しています。ガラスのような脆性材料では、必要なエネルギーは少なく、線形弾性破壊力学（LEFM）によって支配されます。鋼鉄のような延性材料では、塑性変形を伴うため、必要なエネルギーは高くなります。
引裂試験（例：カーン引裂試験）は、引裂抵抗の観点から靭性を半定量的に評価する手法です。この試験ではより小さな試験片で済むため、幅広い製品形状に適用できます。また、線形弾性破壊力学が適用されない非常に延性の高いアルミニウム合金（例：1100、3003）にも引裂試験を用いることができます。
ASTM、BSI、ISO、JSMEなど、多くの組織が破壊靭性測定に関する規格を公表している。
多結晶構造を持つ多くのセラミックスでは、結晶粒界の靭性が結晶の靭性よりもはるかに低いため、個々の結晶自体を貫通するのではなく、結晶粒界に沿って伝播する大きな亀裂が発生します。結晶粒界のファセットの向きと残留応力により、亀裂は複雑で曲がりくねった方法で進行し、解析が困難になります。この曲がりくねりによる結晶粒界表面積の増加に伴う追加の表面エネルギーを単純に計算しても正確ではありません。亀裂表面を作成するためのエネルギーの一部は残留応力から来ているためです。[ 21 ]
キャサリン・ファーバーとアンソニー・G・エバンスによって導入された材料力学モデルは、マトリックス内で微小亀裂が発生しやすい第二相粒子の周囲での亀裂偏向によるセラミックスの破壊靭性の増加を予測するために開発された。[ 22 ]このモデルは、第二相の粒子形態、アスペクト比、間隔、体積分率、および亀裂が偏向したり亀裂面が湾曲したりしたときの亀裂先端での局所応力強度の減少を考慮に入れている。実際の亀裂の曲がりくねり度はイメージング技術によって取得され、偏向角と湾曲角をモデルに直接入力することができる。
その結果生じる破壊靭性の増加は、平坦なマトリックスを通る平坦な亀裂の場合と比較される。強化の大きさは、熱収縮不適合によって引き起こされるミスマッチひずみと、粒子/マトリックス界面の微小破壊抵抗によって決定される。[ 23 ]この強化は、適切なサイズの粒子のサイズ分布が狭い場合に顕著になる。研究者は通常、ほぼ等軸粒を持つ材料のたわみ効果により、破壊靭性が粒界値の約2倍になる可能性があることを示唆するFaberの分析結果を受け入れている。
